问地球为啥会有磁场，这是个不错的问题，地球确实是块磁铁，虽说它磁性很弱，好的冰箱贴比它的磁性强200倍，作为一种非常粗略的近似，能把地球磁场设想成一块位于地球中心仿佛能形成条形磁铁的东西形成的，它大小跟地球自转轴约略一致，不过倾斜了大概11度，这块条形磁铁的南北轴跟地球表面相交的地方被称作地磁（南北方）的磁极，鉴于磁铁轴有倾斜，致使地磁南北极跟地理南北极所处位置不一样。
通过这样一张图，阐述了怎样利用条形磁铁的磁场去近似地展现地球磁场，蓝线所代表的是地球的旋转轴，地理意义上的北极处于顶部，南极处于底部，粉线所代表的乃是有着南北磁极的条形磁铁方向，图片来源为 , CC BY - SA 3.0。
我们所想象出来的条形磁铁，其南极呈现出指向地球北方的情况，并且它的北极则是指向地球南方，这便是为何地球北方的地磁极实际上对应的是磁南极这个情形，而地球南方的地磁极对应的是磁北极。
对于两极来讲，这并非全部情况。原因在于，条形磁铁的图像属于一种近似，地磁南北极的图像同样只是地球磁场真实磁极的近似。真实的磁极是地球上磁力线垂直向下时所指向的那个点。和地理南北极以及地磁南北极不一样，真正的磁极并非彼此正对着，它们还会彼此自主地移动。当下，北极的磁极好像正以每年45公里的速度朝着西北方向移动。除此之外，地质记录表明地球的磁场甚至能够翻转。上一次出现这种状况是在大约78万年前。
2017年时，磁北极的位置，在地图上被予以显示，地磁北极的位置，同样在地图上被予以显示，并且是与地理北极一同显示在地图上的。: Cavit, CC BY-SA 4.0。
磁场从何而来?
没有谁知晓确切的答案，然而被公认的理论是，地球如同发电机那般运转。要明白这是怎样运作的，首先得记住一些你或许在学校学过的物理知识。当处在磁场里移动导电材料时，材料当中就会产生电流，这一过程称作电磁感应。为自行车灯供电的发电机中也会发生这一过程。相反，电流同样能够产生磁场。
存在一个地球，其有着一个坚固内核，该内核的大小与月球大体相近，然而此内核的温度跟太阳表面的温度一样高，内核被液态的外核所包围着，并且这液态外核所含大多数是能熔化且可实现导电的诸多部分所构成的铁水，在地球深层所发生的各类过程致使液体对流着的液态外核在不间断地进行运动。
地球的内部结构 图片来源: , CC BY-SA 3.0.
为了弄明白发电机理论，我们能够假定最开始存在一个磁场，不用操心这个磁场源自何处（比如说，它兴许是由太阳风致使的），毕竟我们仅仅需要它去开启“地球发电机”，因为导电液态外核于磁场之内运动，当中产生了电流，又因为地球的自转，这些电流呈螺旋状排列。
这张图表呈现出了导电流体的运动，这种运动是由地球自转所招致使其呈列状排列状的，而此运动和运动产出产生的磁场之间存在着关系。图片来源于Z. ，遵循CC BY - SA 4.0协议。
这些电流反过来产生了自身的磁场，并且增强了原本的磁场，进而致使地磁场演变成如今我们所看到的这般模样。液态外核持续对流，电流不断生成，所以磁场能够在相当长的时间内维持自身。液态外核的运动复杂多样，所以磁场的行为也极为复杂。
运用计算机模拟出来的地球那块磁场，这些用以表示磁场情况的线是磁场线，其中蓝色所呈现的是磁场往中心指向的方向，黄色所呈现的是表明磁场朝着远离中心方向，那些线条密集形成的群是在位处于地核以内出现的，图片来源为NASA。
旧地球，新科学
上述论述给出了发电机理论的一个轮廓，这个轮廓极其粗略，然而其细节远非简单。要真正理解究竟发生了什么，要计算地球磁场的确切形状，还要预测它会怎样演变，你需把描述流体运动的数学，也就是纳维 - 斯托克斯方程，与描述电磁的数学，即麦克斯韦方程结合起来。人们已然做到了这点，还提出了一个有着优美名字的理论，那就是磁流体动力学（）。
此理论不但能够用以描绘地球磁场，而且能够用以描绘由其他行星以及恒星所产生的磁场。知晓这些磁场能够给我们传达诸多信息，诸如天体的构成成分以及它怎样与环境交互作用等等。磁流体动力学在地球上同样颇为有用，它能够助力我们制作液态金属电池以及更为清洁的发电厂，甚至能够助力临床医生借助磁场把癌症药物引向肿瘤。
然而，存在一个问题，磁流体动力学的中心方程一般很难求解，要处理这些问题高中物理地磁场试题，要么得简化它们，要么依靠提供近似解的复杂方式，这通常需大量计算资源，当前，诸多活跃的研究方向集中于推进理论以及改善求解方法，且在这一进程中将实验观测结果也纳入考量范畴，像对地球以外行星和恒星磁场的观测。
在牛顿科学数学研究所（Isaac , INI），与多米一同合作的乌尔里希·克里斯滕森（）讲道：“当然啦，我们都清楚技术层面上的发电机，然而它们的工作原理仅仅是源于电线、滑动触点等组件之间那种复杂的组合形式。”“（相比较而言）地球的铁芯乃是一个没有结构的流体球，更难以明白在这样的一个系统当中怎样生成磁场。”。
我们为什么关心这个?
地球不是唯一有“发电机”行为的天体，太阳系里其他行星有磁场，太阳和其他更远恒星也如此，太阳磁场决定我们星球感受到的空间天气，这含北极光和南极光那样美丽现象，也含太阳耀斑这类对人类危险的现象。把“太阳耀斑是由太阳发出的粒子爆发，其可能对低轨卫星构成威胁，因为这些卫星的电子设备非常敏感的情况告诉了克里斯滕森”，克里斯滕森说：“要是能够更深入地知晓太阳耀斑形成的缘由，并且在某天没准能够对它们做出预测，这样一来是可以省下好多开支的。”。
这些应用尚处于推测阶段，然而，从别的缘由来说，磁场对人们亦是极具吸引力的。“磁场源自行星内部的深处，”INI项目的另一位联合组织者克里斯托弗·琼斯阐释道。“借助对这些磁场加以研究，我们期望能更深入地知悉行星内部以及地球内部的实际情形，而在仅能看到表面的时候，这是极为困难的。”。
令人感到兴奋不已的是，外星人竟然在这个故事当中扮演了一个角色。由于借助一颗恒星的磁场常常能够判断一些围绕它运行的行星的相关条件，所以预示着在将来磁场能够助力我们于宇宙的其他地方寻觅生命。
现在正是时候
首先，对行星磁场的研究属于基础科学范畴，这是我们为揭开宇宙奥秘所做的尝试，对恒星磁场的研究同样是基础科学一部分，也是此类尝试。当下是专注于该研究领域的良好时机。在过去几十年中，新技术出现，像目前正绕木星飞行的朱诺号宇宙飞船，它已提供了关于磁场的极为丰富的信息，当前预计在不久将来还会有更多信息给出。
计算出来的太阳磁场的模型，其图片的来源是NASA戈达德太空飞行中心，还有杜伯斯坦。
这些数据不但给出了行星以及恒星磁场的关键统计数据，也就是它们的强度与整体形状，并且还为其背后理论提供了支撑。拿太阳磁场举例贝语网校，说的是它每隔11年就会将方向翻转一回。INI项目的另外一位联合组织者名为马修·布朗宁的讲道：“我们依旧不存在一个详尽的理论理解，究竟为何这件事会在这个时间尺度上出现，为何并非是20年、100年或者5年。”。
那太阳，它可是个用于专攻“发电机”理论的超棒实验室，然而，它却属于那种你根本没法实施控制的实验室，就好比说，我们根本没办法促使太阳转得再快些。针对其他的恒星所展开的观测，在一定层面上能够成功弥补掉这一欠缺之处，还能给人们清晰揭示出，那些有着不一样自转速度或者处于不同明暗程度的恒星磁场之间究竟存在着哪些相同点以及相异点。“在往昔大概差不多十年的那段时间范围里，数量多得惊人的数据，针对性地为人们怎样于不同恒星之上构建起不同类别的磁场模型，给出了特别强有力的约束条件，而这在某个程度上，也给我们去理解太阳究竟是怎样构建起自身磁场行径，提供了相应的指引方向。”。
通常来讲，观测已然显示，行星与恒星的磁场特性能够存在极大差异。INI项目致力于解决的一项关键难题是尝试阐释这些差异。
模型和模拟
这种理论，也就是上文所讲的磁流体动力学，是建立在数学方程之上的，它和任何物理理论一样，用于描述天体以及地球“发电机”模型。还有导电流体的情形，像构成地球外核的液态铁，其行为表现与产生的磁场，都需求助于该理论来给予描述。
一类像磁流体动力学这般的理论，能让人们做的事情是，构建数学模型，去描述地球或者其他行星以及恒星的“发电机”行为，之后，运用这些模型来开展磁场的计算机模拟，进而给人们提供了一种借助观测来比对理论的方式凭借这个方式，如果模型精准地把握了相关的物理过程，那么所模拟的磁场应与我们于现实里观察到的相类似要是模拟结果跟观测结果不一致，那就能够知晓该模型欠缺了某些内容。一旦模拟生成了于现实当中被观察到的现象，那么去找出到底是模型的哪一个部分造就了这一现象便变成了可行之事，进而能够为正在起效的物理过程提供相关线索。
克里斯滕森讲，在过去的一二十年当中高中物理地磁场试题，我们在大规模模拟，也就是发电机过程方面，目睹了巨大的进展。借助这样的模拟，我们能够解释地球磁场的诸多性质，不仅是为何其乍一看如同一个条形磁铁，还包括有关它怎样随时间改变的情况，它的恰当尺度是怎样的，以及为何它偶尔会改变方向。我们对恒星磁性的理解尚不深刻，不过可以确定的是，我们能够期待在这个方向上获取更多进展。这是一个领域，它存在快速发展的情况，是在直接数值模拟以及新观测分别给予大力帮助的状况下。
混沌挑战
虽说有了这些方面的进展，然而依旧存在诸多问题需要去解决。“就我们目前所知晓的情况而言，在地球以及其他行星的核心部位，（流体）的运动呈现出极为复杂、极端混乱、高度三维立体的状况，而且许多事件的发生是由不同的源头予以驱动的。”INI项目的另外一位联合组织者彼得·戴维森作出解释。“可是当你从远距离加以观察土星、木星或者地球的磁场时，你所目睹的仅仅是一个稳定的，偶尔会出现反转的犹如条形磁铁的磁场。”问题在于，这般复杂以及混乱的过程究竟是怎样创造出如此稳定、如此简单且如此无处不在的事物的。
用作有关木星磁场描述的示意该图，其图片来自那里的NASA/JPL，它有着特定的来源表示，由Moore等人所关联。
发生于行星以及恒星内部的过程所具备的混沌特性，同样对计算机模拟形成了阻碍，在一个存有混沌状态的系统里，哪怕是发生于极小范围之内的事情，诸如对于如同太阳那般大小的恒星内部里一个房间面积般的情况，都会对系统的整体行为产生影响，而全球范围之内并不存在任何一台超级计算机能够开展所有必需的计算，以此保证于各种尺度下发生的过程全然于模拟之中获得展现。
有个计算问题，它引出了一个数学问题，那就是一般而言，不存在任何能给出磁流体动力学方程解的简洁公式。实际上，我们竞连本文中出现的所有方程是否都有解都不确定。所以说理论数学在这个领域乃是相当重要啊。多米讲，数学发展是很有必要的。只是仅有测量、观察或者数值模型绝对不行，人们得对正在发生的事情具备理论上的理解，而此又依赖于技术上的数学进展呢。
作者：
翻译：C&C
审校：Callo
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